Nghiên cứu công cụ ROS điều khiển robot tự hành AGV trong nhà máy công nghiệp

Luận văn nghiên cứu ứng dụng công cụ ROS để điều khiển robot tự hành AGV trong nhà máy. Gồm tổng quan, xây dựng mô hình và kết quả mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hiểu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Ngọc Huyền
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Cụ ROS Điều Khiển Cho Robot Tự Hành Phục Vụ Trong Nhà Máy Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Robot Tự Hành trong Công Nghiệp

Robot tự hành (AGV - Automated Guided Vehicle) đã trở thành một phần không thể thiếu trong các nhà máy công nghiệp hiện đại. Những chiếc xe tự động này có khả năng vận chuyển hàng hóa mà không cần sự can thiệp của con người, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và kho bãi. ROS (Robot Operating System) là công cụ điều khiển chính được sử dụng để quản lý các hoạt động của robot tự hành. Từ những năm 1950 khi AGV lần đầu tiên xuất hiện, công nghệ đã phát triển vượt bậc, từ các xe kéo theo sợi dây đến những chiếc xe được định hướng bằng laser hiện đại. Ngày nay, robot tự hành công nghiệp không chỉ giúp giảm chi phí chế tạo mà còn tăng đáng kể hiệu quả sản xuất và giảm thiểu lực lượng lao động.

1.1. Định nghĩa AGV và Ứng dụng

AGV là hệ thống xe chuyên chở tự động được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, kho hàng, bệnh viện và siêu thị. Chúng được thiết kế để vận chuyển hàng hóa, kéo hành, và cung cấp vật liệu đến các vị trí làm việc cụ thể. Ưu điểm chính của robot tự hành bao gồm giảm thiệt hại trong kê khai, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, và đặc biệt là giảm thiểu nhân lực cần thiết.

1.2. Lịch sử Phát triển của AGV

Robot tự hành lần đầu tiên được giới thiệu vào những năm 1950 bởi Barrett Electronics. Ban đầu, chúng chỉ là những chiếc xe kéo theo một sợi dây. Theo thời gian, công nghệ đã tiến bộ, xuất hiện các AGV được định hướng bằng laser (LAGV). Hệ thống đầu tiên được triển khai tại các tòa nhà lớn ở Chicago để vận chuyển thư tín. Ngày nay, ROS điều khiển robot đã trở thành giải pháp tiêu chuẩn trong các nhà máy công nghiệp.

II. Vai trò của ROS trong Điều khiển Robot Tự Hành

ROS (Robot Operating System) là nền tảng phần mềm linh hoạt và mạnh mẽ được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng robot tự hành công nghiệp. ROS cung cấp các thư viện, công cụ và quy ước để xây dựng các ứng dụng robot phức tạp. Hệ thống này cho phép điều khiển robot một cách hiệu quả, quản lý giao tiếp giữa các thành phần khác nhau của robot, từ các cảm biến đến các động cơ. ROS điều khiển cung cấp khả năng lập trình liên lạc giữa các robot khác để đảm bảo sản phẩm được di chuyển trơn tru qua các khu vực kho hàng. Các tính năng chính của ROS bao gồm quản lý thời gian thực, xử lý dữ liệu cảm biến phức tạp, và điều phối các hoạt động của hệ thống robot.

2.1. Các Thành phần Chính của ROS

ROS bao gồm các thành phần quan trọng như node (nút xử lý), topic (chủ đề truyền thông), service (dịch vụ), và parameter (tham số). Mỗi thành phần đóng vai trò cụ thể trong việc điều khiển robot tự hành. Các node trong ROS có thể giao tiếp với nhau thông qua các topic, cho phép truyền tải dữ liệu cảm biến, điều khiển động cơ, và xử lý các lệnh điều hành.

2.2. Lợi ích của ROS trong Nhà máy Công nghiệp

Sử dụng ROS điều khiển robot mang lại nhiều lợi ích cho các nhà máy công nghiệp: tăng độ chính xác điều khiển, giảm thời gian lập trình, nâng cao tính linh hoạt của hệ thống. ROS cho phép tích hợp dễ dàng các thiết bị khác nhau, từ cảm biến đến bộ điều khiển, tạo nên một hệ thống robot tự hành hiệu quả và dễ bảo trì.

III. Thiết kế và Xây dựng Mô hình Robot Tự Hành

Quá trình thiết kế robot tự hành công nghiệp yêu cầu nhiều bước chuẩn bị và lựa chọn thành phần phù hợp. Trước tiên, cần phải phân tích yêu cầu thực tế tại nhà máy, từ đó xác định các thông số kỹ thuật cần thiết. Lựa chọn bộ điều khiển phù hợp là bước quan trọng, cần có cơ sở kỹ thuật vững chắc. Tiếp theo, việc chọn cảm biến đo đường cần phải phù hợp với môi trường làm việc và yêu cầu độ chính xác. Động cơ được lựa chọn dựa trên khả năng chuyên chở và tốc độ cần thiết. Cuối cùng, cần xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm tra hiệu năng của robot tự hành trước khi triển khai thực tế.

3.1. Lựa chọn Thành phần Chính

Việc chọn bộ điều khiển, cảm biến và động cơ cần dựa trên phân tích chi tiết các yêu cầu công nghiệp. Bộ điều khiển phải có khả năng xử lý nhanh, tương thích với ROS. Cảm biến phải có độ chính xác cao để đảm bảo robot tự hành hoạt động an toàn. Động cơ cần có công suất phù hợp với khối lượng hàng hóa cần vận chuyển.

3.2. Mô phỏng và Kiểm tra Hiệu năng

Mô phỏng là bước quan trọng trước khi triển khai robot tự hành thực tế. Sử dụng các công cụ mô phỏng trong ROS giúp phát hiện lỗi sớm, tối ưu hóa tham số điều khiển, và đảm bảo hiệu suất tối ưu. Các kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu quý báu để cải thiện thiết kế robot tự hành công nghiệp.

IV. Ứng dụng và Triển khai ROS trong Nhà máy Công nghiệp

ROS điều khiển robot tự hành đã được thử nghiệm và triển khai thành công tại nhiều nhà máy công nghiệp. Các ứng dụng thực tế bao gồm vận chuyển hàng hóa giữa các trạm sản xuất, quản lý kho bãi, và phân phối sản phẩm. Robot tự hành công nghiệp sử dụng ROS có khả năng giao tiếp với các hệ thống quản lý khác, tạo nên một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh. Quá trình triển khai yêu cầu đào tạo nhân viên về hệ thống ROS, thiết lập các tham số phù hợp với môi trường nhà máy, và thực hiện các thử nghiệm liên tục để đảm bảo an toàn. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot tự hành sử dụng ROS có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện nhà máy khắt khe.

4.1. Các Ứng dụng Thực tế

Robot tự hành được áp dụng để vận chuyển linh kiện, sắp xếp trong kho hàng, và cung cấp vật liệu cho các trạm sản xuất. ROS điều khiển cho phép robot hoạt động tự động theo lịch trình được lập sẵn, tương thích với các hệ thống ERP/WMS hiện có. Các ứng dụng này giúp giảm chi phí vận hành, tăng hiệu suất, và cải thiện điều kiện làm việc của nhân viên.

4.2. Kết quả và Hiệu quả Triển khai

Các nhà máy triển khai robot tự hành công nghiệp sử dụng ROS đã ghi nhận những cải thiện đáng kể về hiệu suất. ROS điều khiển cho phép giảm thời gian vận chuyển, tăng độ chính xác, và hạ thấp chi phí hoạt động. Những kết quả này chứng tỏ tầm quan trọng của robot tự hành trong tự động hóa nhà máy hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về robot tự hành trong công nghiệp Trong chương nảy, luận văn thể hiện tình hình thực tiễn của robot tự hành trong thực tế săn xuất. Để tăng tình hiệu quã sử dụng robot, cần nãng cao khả năng giám sát diều khiển bằng công cụ mới, hình là ROS. Việc ứng dụng công cu mới tây cần thực nghiệm nên em đã liền hành xây dựng một mô hình roboL Chương 2: Thiết kế hệ thông điền khiển cho xe tự hành Trong chương này, nội đung lập trung xây dựng phương pháp thiết kế tích hợp hệ thống thực nghiệm robot tự hành và kết quá cúa luận văn. Chương 2 gỗm các nội dụng cơ bản như sau: -Yinh toán thiết kế hệ thông cơ khi, truyền động của robot -Thiết kế hệ thông điều khiển cho robot -Tich hop ứng dụng ROS vào điều khiẻ robot Chương 3: 3 iy dung mô hình và kết quả mô phỏng Kết quả thiết kế và đữ liệu mô phỏng.

Một mô hình mỏ phỏng đã được xây dựng, và rút ra những kết luận. Học viên ý và ghi rõ họ tên DANH MUC HINA VE Hình 1.1 AGV kéo hang trong nha may 1|.2 Xe chớ AGV dùng hệ thống băng,chuyên 1] 4.3 AGV dang day trong nha may sén xuat co khí[1].4 AGV dang xe néag[] ].5 Phân vùng an toàncho AGV[2]. oi cecer HH ke 1ỉnh1.6 Lệ thống an toàn giữa thiết bị và ÁG V[2].7 Hệ thông kho hàng cla Kiva "mm.8 Sơ để tháp hoạt động của AGV[2].9 Mô hình 3 của AGV[3],. HH erurerere 7 Tinh 1.10 Sơ để nguyên lí hoạt động của AG VỊ3] - - 7 Tinh 1.11 Màn hình điều khiển AG V3].12 Sơ đồ mô phóng của AGVI3].13 Sơ để khối phần cứng của AGV[].14 Sơ đỗ khối phần mềm của AG V4].

cv TỦ Tinh 1.16 Kết quả kiểm tra vị tri[fj.17 Kiểm tra vật cản 4] - - - 11 Tlinh 1.18 Kiém tra bám đườngƒ1] - - 11 Hình1.19 Kiểm tra gắp đặt hàng[4].20 Hình ảnh thực tê của robot tự hành|5] 12 Hình 1.21 Sơ đỗ kết nổi các thành phần hé thong[5] - 13 Hình 1 22 Vị trí các thiết bị trên khung robot[5] - 13 Hình 1.23 Sơ đỗ khối bệ thống phân mềm điêu khiển[5] - 14 Hình 1.24 Hình ảnh thực tế và ban 44 2D[5] - 14 Hình 2.2 Xe AGV dang xe cho - - 18 Hình 2.3 Robot Pionccr 3DX|6] 18 Hình 2.4 RoboL Athena sử đụng cơ câu lái xe 33 bánh [7 7] - 19 Hình 2.5 DEWBOT XI sử dụng cơ cấu lái dồng bỏ 4 bánh{8|.6 Bộ truyền đai|9|,.7 Bé trayén dai ring |9 |.8 Bộ truyền xich [9] Hình 2.9 Bộ truyền bánh răng| 9].10 Sơ đỏ nguyên lý mô hình xe tự hành.11 Xe di vào đường rẽ Hình 2.12 Xe quay tại chỗ. MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỎNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH TRONG CÔNG NGHIEP. 11 Tịnh nghĩa AGV.

- - 1 12 Lịch sử phát triên của AGV. 131 Phươngtiện 132 Hệthống.4 Các nghiên cửu dược công bổ. THIẾT KẾ HỆ THÔN: HẢNH. 21 Phan tich y xe lự xnô hình xe tự hánh.

Phân tích yêu cầu trong nhà máy cổnghạ nghiệp ¬.2 Lụa chẹn loại mô hinh,.2 Phương án thiếtkể cơ khí,. TẾ Tua chọn bộ truyền - 30 2.3 Phương ảnthiết kế điêu khiển - - 34 2.1 Tựa chọn bộ điệu khiển - - - 25 23.2 Bài toảntránh vật cản - - - 26 2.33 Tỉnh chọn động cơ. T77 234 La chọn Drive điểu khiển động cơ.5 Phương pháp điểu chế độ rộng xung (PWM),.6 Ứng dụng giải thuật PID kết hợp với phương pháp PWM trên roboL 31 23.7 Bai loan doc vi tri tram - 33 238 Bài loán truyền nhận dữ liệu.4 Tổng quan vẻ hệ điển hành Rober (ROS). - 34 2A1 ROS File system.

- - - 35 242 ROS Computation Graph 36 2.43 Ứng dung céng cu ROS cho xe tự hánh(†rảnh vật cắn). XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUÁ MÔ PHỒNG. 31 Phương pháp thực nghiệm 44 3.1 Yên cẩu thục tế tại nhà máy - - --4 3.12 Sơ đểmô phỏng áp dụng : ~-4 Sa“. 48 TTÀI LIỆU THAM KHẢO.

cà nHeeeeeeeieiiori 52 Hình 2.13 Sơ đỗ khối điều khiển chưng của hệ thống 34 Tình 2.14 Arduino Mega 2560[10] - - _-5 Hinh 2.15 Cảm biển siêu âm HC-SB05[11] - -.16 Bánh xe dẫn động, - - - - 27 Tình 2.17 Sơ đỗ phân tích lực.18 Động cơ 57BILL03A DC servo có giãm (ol i] 29 Tình 2.19 Mạch công suất động cơ DC Hbr-M công suất 200(W)|13|.20 Giãn đỗ thời gian của xung PWM .30 Tỉnh 221 Sơ đỏ khối giải thuật PTD của Robot _~.2 Lưu đỗ thuật toán hiệu chỉnh thông số PID.23 Modul dee thé RCS22{14] - 33 Hình 3.24 Mô hình xe thiết kế trên Solidwork 1- Cảm biển tiệm cận,2- Cảm biến siêu âm, 3-Mạch điều khiển Arđưỉno.25 Mô tâ cơ chế quần lý thông số kỹ thuật trên Master.26 Mỏ hình giao tip co ban rong ROS.27 ROS Reposilory va repository Iroug toàn tải nguyên ROS.28 Compulalion Graph cửa Navigation Slack [15] 38 Hinh 2.29 § Costmap function[21 J - - 40 Tình 2.30 Recovery Behavior cia move_base[17] .31 Chạy quét Map| 16].32 Kết quả quét map eda mé hinh nha xuing.1 Sơ để xưởng sẵn xuất.2 Sơ đỏ khối mô phông [18] - - 45 Hình 3.3 Sơ đổ thuật toán chính.4 Sơ đỏ khỏi thuật toán dẫn dường cơ bản.5 So đề khỏi thuật toán dẫn dường thẳng,.6 Kết quả sẻ chuyến bàng được thực hiện khi thay đổi AVL thuật toán.7 Kết quả thời gian vận chuyế &n trung bình khii thay dỗi số AđV, thuật toàn điền khiến 49 Hình 3.8 Kết quả thời gian chờ tung bình khi thay đối số AGV, thuật toán điều khiến. - - - 50 Léi cam on Trong suối. thời gian thực Tiện ty, em đá nhận được nhiễu sự quau tam, giúp đỡ của quý thầy eõ, gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất dén thay cô Bộ môn Máy và Ma sáthọc Viện Cơ Khí Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.

Đặc biệt hơu hết là sự quan tâm tận tỉnh của T8 Nguyễn Thị Ngọc Huyền, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong thời gian làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Trong luận vẫn mảy, việc nghiên cứu công cụ ROS điều khiển cho robol tự hành phục vụ trong nhà máy công nghiệp được chia làm 3 chương. Chương 1: Tổng quan về robot tự hành trong công nghiệp Trong chương nảy, luận văn thể hiện tình hình thực tiễn của robot tự hành trong thực tế săn xuất. Để tăng tình hiệu quã sử dụng robot, cần nãng cao khả năng giám sát diều khiển bằng công cụ mới, hình là ROS. Việc ứng dụng công cu mới tây cần thực nghiệm nên em đã liền hành xây dựng một mô hình roboL Chương 2: Thiết kế hệ thông điền khiển cho xe tự hành Trong chương này, nội đung lập trung xây dựng phương pháp thiết kế tích hợp hệ thống thực nghiệm robot tự hành và kết quá cúa luận văn.

Chương 2 gỗm các nội dụng cơ bản như sau: -Yinh toán thiết kế hệ thông cơ khi, truyền động của robot -Thiết kế hệ thông điều khiển cho robot -Tich hop ứng dụng ROS vào điều khiẻ robot Chương 3: 3 iy dung mô hình và kết quả mô phỏng Kết quả thiết kế và đữ liệu mô phỏng. Một mô hình mỏ phỏng đã được xây dựng, và rút ra những kết luận. Học viên ý và ghi rõ họ tên DANH MUC BANG BIẾU Bảng 1.1 Định vị các vị trí trên bản đổ|6|.2 Bảng đánh giá khoảng cảch các đường trên bán để và thực tế tại phòng [6] - - - - - - 15 Bảng 2.1 Thống kê y từ nhà máy.2 Thông số kỹ thuật Arduino Uno[10] 26 Bang 3.1 Thống kê yêu cầu từ nhà ruáy. 44 DANH MUC HINA VE Hình 1.1 AGV kéo hang trong nha may 1|.2 Xe chớ AGV dùng hệ thống băng,chuyên 1] 4.3 AGV dang day trong nha may sén xuat co khí[1].4 AGV dang xe néag[] ].5 Phân vùng an toàncho AGV[2].

oi cecer HH ke 1ỉnh1.6 Lệ thống an toàn giữa thiết bị và ÁG V[2].7 Hệ thông kho hàng cla Kiva "mm.8 Sơ để tháp hoạt động của AGV[2].9 Mô hình 3 của AGV[3],. HH erurerere 7 Tinh 1.10 Sơ để nguyên lí hoạt động của AG VỊ3] - - 7 Tinh 1.11 Màn hình điều khiển AG V3].12 Sơ đồ mô phóng của AGVI3].13 Sơ để khối phần cứng của AGV[].14 Sơ đỗ khối phần mềm của AG V4]. cv TỦ Tinh 1.16 Kết quả kiểm tra vị tri[fj.17 Kiểm tra vật cản 4] - - - 11 Tlinh 1.18 Kiém tra bám đườngƒ1] - - 11 Hình1.19 Kiểm tra gắp đặt hàng[4].20 Hình ảnh thực tê của robot tự hành|5] 12 Hình 1.21 Sơ đỗ kết nổi các thành phần hé thong[5] - 13 Hình 1 22 Vị trí các thiết bị trên khung robot[5] - 13 Hình 1.23 Sơ đỗ khối bệ thống phân mềm điêu khiển[5] - 14 Hình 1.24 Hình ảnh thực tế và ban 44 2D[5] - 14 Hình 2.2 Xe AGV dang xe cho - - 18 Hình 2.3 Robot Pionccr 3DX|6] 18 Hình 2.4 RoboL Athena sử đụng cơ câu lái xe 33 bánh [7 7] - 19 Hình 2.5 DEWBOT XI sử dụng cơ cấu lái dồng bỏ 4 bánh{8|.6 Bộ truyền đai|9|,.7 Bé trayén dai ring |9 |.8 Bộ truyền xich [9] Hình 2.9 Bộ truyền bánh răng| 9].10 Sơ đỏ nguyên lý mô hình xe tự hành.11 Xe di vào đường rẽ Hình 2.12 Xe quay tại chỗ. TONG QUAN VE ROBOT TU HANH TRONG CON NGHIEP 1.1 Dinh nghia AGV.

AGV ( Automated guided vehicle -AGV ) 14 mét khai niém chưng chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cản người lãi. Trong công nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chổ tự động được áp dụng trong các lĩnh vực cưng cập sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất, Chuyên hàng giữa các tram. sản xuât, phân phối, cung tmg sản nhắm, đặc biệt trong buôn bán. Cưng cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực dặc biết như bệnh viện, siêu thị, văn phòng, Qua tắt cả các ứng dựng AGV thể hiện rất rõ liệu quả của mình như: giúp giảm thiệt hại trong kiếm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiếu nguồn nhân lục.

AGV còn giúp giảm chỉ phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất. chúng có thể được chế tạo dé chuyển hàng, kéo hành, áp phát cho mội số vị trí làm việ ó dănh[1] 1.2 Lịch sứ phát triển của AGV. AGV đầu tiên được đưa ra thị trường vào những năm 1950, bởi Barrett lectronics ở Northbroek, Ilinois. Váo thời điểm đỏ nó chỉ là một chiếc xe kéo di the một sợi dây đôi trên sản thay vì là dường ray.

Ra khỏi công nghệ này đã xuất hiện một loại AGV mới, đi theo các đầu IV vô bình trên sản thay vi được kéo bởi một chuối. Hệ thống đầu tiên như vậy được triển khai tại tháp WiHIs( trước đây là Tháp Scars) ¢ Chicago, Ilinois dé chuyên thư di khắp các văn phủng của mình.